14
Исследовательская работа.
«Зависимость сопротивления полупроводников от температуры»
Выполнил:
ученик 8 класса
Савин Денис
Алексеевич.
Учитель:
Сенчик Максим
Максимович.
Школа физиков «Спектр»
МБОУ Богашевская СОШ им. Федорова.
2016 год.
Содержание.
1. Введение….................................................................................................. 3 стр.
2.Теоритическая часть….................................................................................4 стр.
2.1.Проводники, полупроводники и диэлектрики электричества…...........4 стр.
2.2.Примесные и чистые проводники…........................................................6 стр.
2.3 Примесные проводники…........................................................................7 стр.
2.4.Чистые проводники. Термисторы…........................................................8 стр.
3.Практическая часть….................................................................................11 стр.
4.Эксперимент №1…....................................................................................12 стр.
6.Эксперимент№2….....................................................................................14 стр.
7.Создаие прибора для дистанционного измерения температуры...................................................................................................15 стр.
10. Заключение…...........................................................................................16 стр.
11. Источники….............................................................................................16 стр.
Введение.
Из материалов СМИ и учебника по физике за 8-ой класс я узнал много нового и поучительного о проводниках, полупроводниках и диэлектриков. Если начать изучать эту тему более углублённо, то можно узнать много удивительных вещей. На основе того материала который был у меня я смог сделать экспериментальный термометр на терморезисторе. В моей работе я описываю не только проводники и полупроводники, но и своё изобретение термометр на терморезисторе.
Я решил использовать обычные приборы найденные мной в кабинете физики потому что я не нашел более качественного и разнообразного материала, чем примитивных приборов.
Цель работы: Изучить принцип работы полупроводников и зависимость их сопротивления от температуры.
Задачи:
узнать что же такое проводники, полупроводники и диэлектрики;
Разобрать, как идет электрический ток через полупроводники;
Понять что такое примесные и чистые полупроводники;
Изготовить прибор для дистанционного измерения температуры.
Теоретическая часть.
Проводники, полупроводники и диэлектрики.
До сравнительного недавнего времени все вещества по их электрическим свойствам разделяли на проводники и диэлектрики. Такое подразделение целесообразно, поскольку они резко отличаются друг от друга по электропроводимости
Для проводников электрического тока значение удельного сопротивления находится в пределах от 10-5 до 10-8 Ом * м а для диэлектриков оно изменяется в пределах от 1010 до 1016 Ом * м. эти числа показывают, насколько велик интервал значений удельного сопротивления проводников и диэлектриков.
Дальнейшее изучение электропроводимости веществ привело к открытию таких металлов, у которых электропроводимость оказалось промежуточной между проводниками и диэлектриками. Эти вещества назвали полупроводниками. К ним в первую очередь относятся элементы 4 группы таблицы Менделеева германий и кремний, а также карбид кремния, селен; соединения элементов 3 группы с элементами 5 группы и многие другие вещества. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 104 до 10-5 Ом * м.
Примесные и чистые проводники.
Заметим, что сопротивление различных веществ, в том числе и полупроводников, зависит от их чистоты. Присутствие в металлических проводниках посторонних примесей мало влияет на концентрацию подвижных носителей зарядов, но сильно изменят их подвижность. Это объяснятся тем, что примеси создают дефекты в кристаллической решетке, которые увеличивают сопротивление металлов электрическому току. Посторонние примеси в металлах, как правило, увеличивают сопротивление последних.
У диэлектриков атомы примесей обычно имеют электроны, которые слабо связаны с атомами. Эти электроны легко отрываются от атомов и переходят в свободное состояние. Таким образом, электропроводимость диэлектриков в основном определяется количеством содержащихся в них примесей. Следовательно, примеси в диэлектрике, как правило, уменьшают его сопротивление.
У полупроводников, как и диэлектриков, примеси значительно уменьшают их сопротивление. Специальным подбором примесей можно изменять сопротивление полупроводников в нужном направлении. Поэтому примесные полупроводники имеют широкое применение в современной технике.
Примесные проводники.
С помощью добавления в чистый полупроводник специально подобранных примесей можно искусственно приготовить такие полупроводники, которые обладают преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Добавим в чистый расплавленный германий около 10-5% примеси, состоящей из атомов какого-либо элемента 5 группы таблицы Менделеева, например мышьяка. Тогда при затвердевании образуется обычная решетка германия, но в некоторых узлах вместо атомов германия, будут находиться атомы мышьяка. Четыре валентных электрона атома мышьяка при этом образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон в этих условиях оказывается настолько слабо связанным с атомом мышьяка, что для его отрыва нужна очень маленькая энергия, порядка той, которая необходима для ионизации атомов металла.
Поэтому при обычной температуре все атомы мышьяка в полупроводнике оказываются ионизированными. Положительно заряженные атомы мышьяка связаны с решеткой (локализованы) и не могут перемешаться под действием сил внешнего электрического поля, а свободные электроны (по одному от каждого атома примеси) являются подвижными носителями зарядов.
Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной, и ее называют проводимостью n-типа (от <<негатив>> - отрицательный), а сам кристалл называют полупроводником n-типа. Примесь, создающую в полупроводнике свободные электроны, называют донорной (дающей) или примесью n-типа.
Мышьяк Германий
+ =
примесь n-типа.
Если в чистый германий добавить атомы элементов 3 группы таблицы Менделеева, например индия, у которых имеется по три валентных электрона, то этих электронов хватит для установления ковалентной связи с тремя соседними атомами германия. Для установления связи с четвертым атомом германия атом индия заимствует электрон у одного из своих соседей и превращается в отрицательный ион, а у другого из атомов германия возникает дырка, которая хаотически движется к кристаллу.
У кристалла германия с примесью атомов 3 группы проводимость преимущественно дырочная. Её называют проводимостью p-типа (от <<позитив>> - положительный). Примесь, создающую такую проводимость, называют акцепторной (принимающей) или примесью p-типа.
Заметим, что в примесных полупроводниках уже при обычных температурах происходит генерация пар электрон-дырка. Поэтому кроме основных носителей тока там имеются в небольшом количестве и носители тока противоположного знака (не основные носители тока). При невысоких температурах не основные носители тока существенной роли не играют. Однако при высоких температурах, когда происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка, полупроводник приобретает смешанную проводимость. Таким образом, преимущественно дырочная или электронная проводимость у примесных полупроводников сохраняется лишь при температурах ниже той, при которой начинает играть существенная роль собственная проводимость полупроводника.
+ =
Примесь p-типа.
Чистые проводники. Термисторы
Рассмотрим подвижные носители зарядов в чистых полупроводниках на примере германия и кремния. У атомов этих элементов на внешней оболочке имеется по четыре валентных электрона. В твердом состоянии эти вещества имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа.
Связь между соседними атомами в такой решетке ковалентная, т.е два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару.
Ковалентная связь
При низкой температуре все электроны полупроводника связаны с атомами. В таком кристалле нет свободных носителей зарядов, и он является изолятором. Если постепенно повышать температуру такого кристалла, то отдельные электроны могут получить избыточную энергию (за счет энергии хаотического движения), которой оказывается достаточно для их отрыва от атома. Появление таких электронов и создаёт проводимость кристалла полупроводника. При комнатной температуре в кристаллах германия и кремния уже имеются свободные электроны. Энергия, нужна для отрыва электронов от атомов, в германии меньше, чем в кремнии. Таким образом, при одной и той же температуре удельное сопротивление германия значительно меньше, чем кремния (при 200 С Pge=0.6 Ом*м, a Psi=2*103 Ом*м).
При переходе электрона в свободное состояние в оболочке атома полупроводника остаётся свободное место, которое принято называть дыркой. Поскольку до отрыва электрона атом был нейтрален, то после отрыва он приобретает положительный заряд, который приписывают дырке. Так как соседние атомы полупроводника непрерывно обмениваются электронами, то дырку у атома может заполнить электрон другого атома, у которого в свою очередь появляется дырка.
Таким образом, дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов. Действительно, если при отсутствии электрического поля в полупроводнике дырки движутся преимущественно по направлению этого поля, т.е создают электрический ток.
Итак, нагревание полупроводника ведет к образованию, или к генерации, пар подвижных носителей зарядов <<электрон-дырка>>. Когда свободные электроны и дырки совершают хаотическое движение в полупроводнике, то они могут встретится. Тогда свободный электрон заполняет вакантное место в оболочке атома, т.е в полупроводнике исчезают сразу два свободных носителя зарядов - происходит рекомбинация пары <<электрон-дырка>>. Длина пробега свободного электрона или дырки с момента их возникновения до исчезновения очень мала (около 0.1 мм.)
Когда температура полупроводника постоянна, между генерацией и рекомбинацией пар <<электрон - дырка>> существует подвижное равновесие. При этом в полупроводнике имеется определенное число подвижных носителей зарядов.
Отметим, что в чистом полупроводнике всегда имеется поровну свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых полупроводников наполовину дырочная и наполовину электронная. Такую проводимость принято называть собственной проводимостью проводников.
Итак, если чистый полупроводник включить в цепь, то в нем потечет ток. При этом свободные электроны будут двигаться от отрицательного полюса к положительному, а дырки - в обратную сторону. Нельзя забывать, что при этом в действительности движутся не дырки, и связанные ковалентные электроны переходят от одного атома к другому под действием сил поля.
Поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводников во много раз больше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак, собственную проводимость полупроводников можно использовать для устройства приспособлений, замыкающих цепь при недопустимом повышении температуры в автоматических устройствах. Полупроводник, сопротивление которого при нормальных условиях велико, включается в сигнальную цепь со звонком или в цепь, управляющую подачей тока. Когда температура недопустимо повышается, сопротивление полупроводника падает и в сигнальной цепи появляется ток, приводящий в действие звонок, или же прекращается подача тока, вызвавшего перегрев. Так как термисторы малы по размерам, то с их помощью можно обнаруживать или измерять изменения температуры в каком-либо малом пространстве.
Практическая часть.
Сравнение зависимости сопротивления различных веществ от температуры.
Интересно сравнить зависимость сопротивления различных веществ от температуры. Вспомним, что у металлов сопротивление при нагревании возрастает, а при охлаждении уменьшается и становиться равным 0 при сверхпроводимости. Сопротивление диэлектриков при нагревании медленно уменьшается. В диэлектрике для отрыва электронов от атомов нужна большая энергия, поэтому твердые диэлектрики большей частью успевают расплавиться прежде, чем приобретают достаточно большую проводимость.
У проводников энергия, необходимая для отрыва электронов от атомов, значительно меньше, чем у диэлектриков. Поэтому при нагревании полупроводников количество подвижных носителей зарядов в них быстро возрастает, и их сопротивление сильно уменьшается. При понижении температуры сопротивление полупроводников возрастает, и при низких температурах их сопротивление так же велико, как и у диэлектриков. Явление сверхпроводимости у полупроводников отсутствует.
Опыт показал, что на сопротивление полупроводников сильно влияет не только температура. Освещение полупроводника значительно уменьшает его сопротивление, так как излучение приносит энергию, достаточную для образования подвижных носителей зарядов в полупроводнике.
Итак, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и от освещенности. Эти особенности полупроводников имеют важное практическое значение
Эксперимент № 1.
Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.
Цель: Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.
Оборудование: 1- мерный стакан
2-снег 200г
3-Терморезистор
4- металлическая емкость не менее 250мл
5- плитка нагревательная лабораторная
6-штатив
7-лапка
Ход проведения работы:
Насыпим в металлическую емкость снег поставив её на плитку. Терморезистор вставим в эту емкость так, чтобы он не касался дна. Включим плитку в сеть и начнем снимать показания термометра каждые 50
Результат:
получаем зависимость, которая представлена на графике №1
График №1
Эксперимент № 2.
Градуирование шкалы амперметра .
Цель: градуирование шкалы амперметра
Оборудование: 1- мерный стакан
2-лед 100г
3- Терморезистор
4- металлическая емкость не менее 250мл
5-штатив
6-лапка
7-Амперметр
8-Термометр спиртовый
Ход проведения работы:
Положим снег в металлическую емкость, поставим ее на плитку одновременно отмечая на шкале амперметра количество делений. До состояния кипения.
Результат:
-
Создание прибора для дистанционного измерения температуры.
Соединим последовательно: терморезистор, кнопку, батарейку, шкалу Амперметра разместив их в корпусе непригодного амметра
Состовляющие:№1 Амперметр нового типа со шкалой 1шт
№2 выключатель(кнопка) 1шт
№3 провода 2шт
№4 переменное сопротивление ( термистор ИP8608) 1шт
№5 Терморезистор (ММТ-4) 1шт
Заключение.
Изучив принцип работы полупроводников, определив с помощью экспериментов зависимость сопротивления полупроводника от температуры. Мы получили возможность создать прибор для дистанционного измерения температуры, прибор не совершенен, но это не конец, а только новое начало для более совершенного прибора на полупроводниках
Источники:
№1 Физика: Учебное пособие для 10 кл.
№ 2 Учебник по физике 8 класс.
№3 Физика сборник задач для 8кл.
№4 Физика: Учебное пособие для 8 кл.
№ 5 http://electricsafety.ru/article5.php
№6 https://ru.wikipedia.org/wiki
